初中化学“金属与能源”整合教学实践探索

《义务教育化学课程标准（2022年版）》指出，化学是自然科学的重要组成部分，与物理学共同构成物质科学的基础，是材料科学、生命科学、环境科学、能源科学、信息科学和航空航天工程等现代科学技术的重要基础。从仰望星空到遨游苍穹，在中国人逐梦九天的历程中，长征系列运载火箭承载着中国人的航天梦想，不断开拓着中国人远征太空的道路。基于此背景，笔者以“探究火箭的能源与材料”为课题，开展了初中化学“金属与能源”整合教学，目的是让学生形成关于物质及其变化等的基本化学观念，发展科学思维、创新精神和实践能力，养成科学态度和社会责任感，为终身发展奠基。

一、教学目标

1. 通过对长征五号运载火箭推进剂中液氧、液氢作用的探究，理解燃烧的原理；通过对火箭外壳铝合金材料性质的探究，知道常见金属的物理性质、化学性质以及合金的性质；通过对火箭外层涂料的探究，认识材料的科学利用与新材料的开发。

2. 通过比较不同型号火箭所用燃料的成本、热值高低、燃烧产物对环境的影响，分析以液氢为主要能源的优点和面临的困难，从物质变化、能量变化等视角认识化学反应；通过比较铝和铁、铜等常见金属性质的差异，以及铝和铝合金性质的差异，建立基于物质性质对物质应用进行分析的模型，促进“性质决定用途”观念的形成。

3. 通过课堂讨论等方式锻炼学生的交流与表达能力；了解新型材料、新型能源在我国航天科技领域中的应用，厚植爱国主义情怀。

二、设计思路

三、教学实录

师（引入）： 2022年7月，长征五号运载火箭在海南文昌发射场将问天实验舱发射到太空，这对中国空间站的建设有重要意义。下面，我们来重温一下当时的场面。

（播放视频：长征五号运载火箭升空。）

师：长征五号运载火箭是我国迄今为止运载能力最强的火箭。因为个头比较大，人们给了它一个昵称——“胖五”。今天这节课，我们来认识“胖五”，了解“胖五”，探究“胖五”火箭中的化学秘密。

【设计意图】长征五号运载火箭升空的震撼场面激发了学生的学习兴趣和民族自豪感，“胖五”这一昵称的提出活跃了课堂气氛，也为本节课所学内容作了铺垫。

活动1：探究火箭的推进剂

屏显：

师：“胖五”的名片中哪些信息可以反映出“胖五”很“胖”？

生：“胖五”身高约57米，有20层楼高；箭体直径5米；起飞重量约870吨。

师：把火箭做得“胖”，只是为了让它看起来更可爱吗？

生：火箭容积大，可以携带更多的燃料，运载能力强。

师：“胖五”使用了哪种燃料？

生：液氢。

师：使用氢能源有什么优点？

生：氢气燃烧生成水，绿色环保；氢气热值高，来源广。

师：除了液氢，火箭中还会用到偏二甲肼、煤油等作为推进剂。现役火箭常采用四氧化二氮、偏二甲肼作为推进剂。四氧化二氮会分解为红棕色二氧化氮，二氧化氮再与空气及燃烧产生的水汽混合，会呈现出棕黄色的烟雾，对环境造成污染。为什么不大规模使用液氢作为推进剂呢？

生：氢气沸点低，难液化，液化成本高。

【设计意图】用拟人化的方式设计“胖五”的名片，生动、简洁地呈现“胖五”火箭的特点。精心设计问题串，层层递进，引发学生思考选择火箭燃料时要考虑哪些因素。

活动2：探究火箭的外壳材料

师：根据名片可知“胖五”外壳的主体材料是什么？生活中熟悉的金属材料有哪些？

生：“胖五”外壳的主体材料是铝。生活中常见的金属有铜、铁、金等。

师：“胖五”外壳所用金属90%为铝，为什么选择铝而不是铁或铜来造火箭呢？结合已学知识，观察、比较铝、铁、铜物理性质的相似之处和不同之处。

生：它们常温下都为固体，有金属光泽，有延展性，有良好的导电性、导热性。但颜色、密度大小有差异，导电性、导热性、延展性强弱不同。

师：从物理性质角度看，选择铝而不选择铁或铜的主要原因是什么？

生：铝的密度比铁、铜小。

师：（展示“胖五”的“薄脸皮”，图略）“胖五”外壳铝合金厚度不足2mm，最薄的地方不足0.3mm，体现了铝的什么物理性质？

生：铝的延展性优于铜和铁。

师：推广到所有金属，它们共有的物理性质是什么？

总结：常温下大部分金属是固体，有金属光泽，有延展性，有良好的导电性、导热性。

【设计意图】从“胖五”外壳的主体材料——铝的物理性质说起，拓展到铁、铜、金等生活中常见的金属，引导学生总结出金属具有一些共同的物理性质。

师：为什么说金属在常温下是固体时，要加一个限定词——大部分？

生：常温下汞是液体。

师：为什么汞在常温下是液体？

生：汞的熔点低于室温。

实验：将金属镓制成的“爱心”放在50℃的热水中（实验图片略）。

师：为什么镓在热水中会熔化？

生：镓的熔点低于50℃。

【设计意图】金属镓在热水中熔化的实验使抽象的熔化过程形象化，加深了学生的印象。

师：下面，我们从化学性质的角度来比较铝、铁、铜三种金属。

师：常温下，铁制品很容易生锈，铁生锈需要什么条件？铜会生锈吗？铝呢？

师：（展示用了30年的铝勺）为什么铁勺不能用30年，而铝勺可以？

生：铁锈结构疏松，铁一旦生锈会吸收水蒸气和氧气，越锈越厉害。氧化铝结构致密，能起到保护作用。

师：加热的条件下，铁和铜能否和氧气反应？铝呢？

实验：加热铝片（实验图片略）。

（学生描述实验现象，分析熔化但不滴落的原因；总结铝、铁、铜在常温和加热条件下与氧气反应的情况。）

师：从化学性质角度看，制造火箭选择铝而不是铁或铜的主要原因是什么？

生：铝在常温下与氧气反应生成致密的氧化膜，不易生锈。加热生成的氧化铝熔点高。

总结：推广到大部分金属，金属在常温、加热条件下能否与氧气反应，反应的剧烈程度与金属的化学性质有关。

【设计意图】通过实验探究，比较铝、铁、铜在常温和加热两种条件下与氧气的反应，使学生从物质类别的视角认识常见金属的主要化学性质，形成研究一类物质性质的方法，同时加深了对“物质的性质决定用途”这一观念的认识。

师：制造火箭常用铝锂合金、铝镁合金。为什么用铝合金，而不是铝？

师：结合铝锂合金、铝镁合金的组成，思考什么是合金？

生：合金是由一种金属和其他金属或非金属熔合形成的具体金属特性的物质。

师：从物质组成角度来分类，合金属于什么类别？

生：合金属于混合物。

师：合金有哪些性质呢？

实验：刻画法比较铝和硬铝的硬度（实验图片略）。

生：合金的硬度一般大于各成分金属。

师：合金的某些性能优于各成分金属。

实验：形状记忆合金在热水中复原（实验图片略）。

师：火箭外壳用了大量的铝镁合金、铝锂合金，利用了这些合金的哪些性质？

生：密度小、机械强度高。

总结：一般来说，合金的硬度大于各组成金属，熔点低于各成分金属，性能比纯金属更优越。

【设计意图】刻画法比较铝和硬铝的硬度，操作简单，现象明显；形状记忆合金在热水中回弹的一瞬间，学生都不由自主地发出了惊呼。通过以上两个小实验，学生直观地感受到了合金的优异性能。

活动3：探究火箭的外壳涂料

师：合金的熔点一般会低于各成分金属。火箭升空时燃料燃烧温度达3000℃，火箭高速穿越大气层时，外壳与大气摩擦也会导致高温，火箭为什么没有熔化呢？因为制造时火箭外壳涂了一层白色的涂料。你们能推测涂料的性质吗？

生：涂层耐高温，有良好的隔热性能。

师：将涂料喷涂在火箭的外壳上，形成保护层。当火箭在大气中高速飞行时，涂层中的升华物质会因为受热而挥发，带走部分热量，耐高温有机树脂则形成微孔的碳化层，像一道隔热的樊篱，把外界大部分热量与火箭外壳隔开，直到火箭冲出大气层或完成飞行任务为止。

【设计意图】通过前面的学习，学生知道了金属有导热性，自然就会产生“火箭升空时的高温为什么没有将火箭熔化”的疑问。基于此，让学生思考火箭外层涂料应该具备哪些性质，了解新型材料的开发应用，感受化学是有用的。

师总结：火箭的制造蕴藏着丰富的化学知识，今天所揭示的只是冰山一角。我们来回顾一下“胖五”的工作经历：2021年4月29日，发射“天和”核心舱；2022年7月24日，发射“问天”实验舱；2022年10月31日，发射“梦天”实验舱。最后，让我们一起回顾中国航天的发展史，致敬航天人！逐梦九天，未来有你！

（播放视频：中国航天发展史。）

四、教学反思

1.以解决实际问题为出发点使用教材

义务教育课程标准倡导课堂教学要基于真实情境展开，要在问题解决的过程中培育学生的必备品格和关键能力。火箭中涉及的化学知识非常复杂，不可能局限于一章一节的内容。因此，笔者将教材内容进行重组，将能源与材料结合，同时将金属化学性质中金属和稀盐酸、稀硫酸反应的内容延后，将合金的内容提前，使教材变成学生解决问题的学习资源，真正实现“用教材”。

2.以精心设计的明线暗线发展素养

本课以“胖五”的“轻浮气”、“胖五”的“保护伞”、“胖五”的“硬外壳”为情境线，以燃烧的原理，金属的物理性质、化学性质，合金的性质等为知识线，以能源的选择、金属材料的选择、外壳涂层的选择为能力线，让学生体会到认识物质的过程，物质是结构决定性质，性质决定用途；而解决问题的过程却是相反的：从需求、用途联想到性质，根据性质改变物质的结构。

3.以层层递进的问题激发思考力

笔者围绕教学目标，设计主问题，再在每个活动中设计大问题，在每个大问题下再设计小问题，用相互关联的问题串，引发学生深度思考。以探究火箭的外壳材料为例，设计了三个大问题：“胖五”外壳的主体材料是什么，生活中熟悉的金属材料有哪些？“胖五”外壳所用金属90%为铝，为什么选择铝而不是铁或铜来造火箭呢？制造火箭常用铝锂合金、铝镁合金，为什么用铝合金，而不是铝？第一问让学生思维发散，关注身边的金属；第二问将学生的思维引到铝、铁、铜这三种常见金属的物理性质与化学性质的比较上，并迁移到对大部分金属物理性质与化学性质的总结；第三个问题让学生比较纯金属和合金性质，从性质、性能的角度考虑使用合金的原因，再迁移到合金性质、性能的总结。

此外，本课还设计了形状记忆合金复原、金属镓熔化等创新实验，在回形针回弹、“爱心”熔化的瞬间学生非常激动。这些实验不仅操作简单，而且可以彰显化学学科的魅力。最后，回顾中国航天发展史视频的播放培养了学生的责任担当，勉励学生争做有理想、有本领、有担当的时代新人，落实了立德树人根本任务。

（作者单位：江苏省苏州市景范中学）